Комунальний заклад освіти
"Середня загальноосвітня школа №81"

 


Допитливим чомусикам

<<< На головну сайту

 

Корисні посилання >>>

 

         

 

         

 

Если вам интересно что происходит в природе, как работают различные устройтсва, почему мы видим что-то так, а не иначе, то это раздел для вас. Здесь будут размещаться интересные научно-популярные статьи, занимательные и малоизвестные факты из жизни известных людей, электронные журналы, издаваемые нашими учителями и учениками, а также рефераты и научные статьи школьных кружков.

 

Фізика

Зміст розділу
Ядерная энергетика: за и против
Яков Исидорович Перельман
 
 
 
 

 

 
Физика - 2011
 
 

 

Презентацию по теме "Ядерная энергетика: за и против" можно скачать здесь >>>

Презентацию по теме "Мирный ли атом?" можно скачать здесь >>>

Презентацию по теме "Чему учит Чернобыль..." можно скачать здесь >>>

Ядерная энергетика: за и против

Что такое ядерная энергия и ядерная энергетика?

Ядерная энергия (атомная энергия) – это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях.

Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.

Другим способом высвобождения ядерной энергии является термоядерный синтез. При этом два ядра лёгких элементов соединяются в одно тяжёлое. Такие процессы происходят на Солнце.

Многие атомные ядра являются неустойчивыми. С течением времени часть таких ядер самопроизвольно превращаются в другие ядра, высвобождая энергию. Такое явление называют радиоактивным распадом.

Ядерная энергия производится в атомных электрических станциях, используется на атомных ледоколах, атомных подводных лодках; США осуществляют программу по созданию ядерного двигателя для космических кораблей (СССР на момент своего распада уже имел рабочий образец), кроме того, предпринимались попытки создать ядерный двигатель для самолётов (атомолётов) и «атомных» танков.

Ядерная энергетика (атомная энергетика) – это отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии.

Хотя в любой области энергетики первичным источником является ядерная энергия (например, энергия солнечных ядерных реакций в гидроэлектростанциях и электростанциях, работающих на органическом топливе, энергия радиоактивного распада в геотермальных электростанциях), к ядерной энергетике относится лишь использование управляемых реакций в ядерных реакторах.

 

История

Ядерный реактор – устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый ядерный реактор построен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. В Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1. Она была запущена 25 декабря 1946 года в Москве под руководством И. В. Курчатова.

 


Ядерный реактор CROCUS

 

Во второй половине 40-х гг., ещё до окончания работ по созданию первой советской атомной бомбы (её испытание состоялось 29 августа 1949 года), советские учёные приступили к разработке первых проектов мирного использования атомной энергии, генеральным направлением которого сразу же стала электроэнергетика.

В 1948 г . начались первые работы по практическому применению энергии атома для получения электроэнергии.

 


Обнинская АЭС

 

Первая в мире промышленная атомная электростанция мощностью 5 МВт была запущена 27 июня 1954 в СССР, в посёлке Обнинское Калужской области (сейчас город Обнинск), на базе «Лаборатории В». Была оснащена одним уран-графитовым канальным реактором с водяным теплоносителем АМ-1 (аббревиатура АМ изначально означала «атом морской», так как реактор был предназначен для транспортной установки, однако его размеры оказались слишком велики и было принято решение об использовании данного реактора для гражданской энергетики, в результате чего расшифровкой аббревиатуры АМ стало сочетание «атом мирный» мощностью 5 МВт.

Идеи конструкции активной зоны станции была предложена И. В. Курчатовым совместно с профессором С. М. Фейнбергом, главным конструктором стал академик Н. А. Доллежаль. Первая партия топлива для Обнинской АЭС в количестве 514 ТВЭЛОВ была изготовлена на Машиностроительном заводе Электросталь (Московская обл.).

 


Реактор Обнинской АЭС

 

Реактор Обнинской АЭС, помимо выработки энергии, служил базой для экспериментальных исследований и для выработки изотопов для нужд медицины. Опыт эксплуатации первой по сути экспериментальной атомной станции полностью подтвердил инженерно-технические решения, предложенные специалистами атомной отрасли, что позволило приступить к реализации широкомасштабной программы по строительству новых АЭС.

В настоящее время Обнинская АЭС выведена из эксплуатации. Её реактор был заглушен 29 апреля 2002 года, успешно проработав почти 48 лет. Остановка реактора была вызвана научно-технической нецелесообразностью его дальнейшей эксплуатации.

На базе Обнинской АЭС создан музей атомной энергетики.

За пределами СССР первая АЭС промышленного назначения мощностью 46 МВт была введена в эксплуатацию в 1956 в Колдер-Холле (Великобритания). Через год вступила в строй АЭС мощностью 60 МВт в Шиппингпорте (США).

 

Классификация

По типу реакторов

Атомные электростанции классифицируются в соответствии с установленными на них реакторами:

•  Реакторы на тепловых нейтронах, использующие специальные замедлители для увеличения вероятности поглощения нейтрона ядрами атомов топлива:

- реакторы на лёгкой воде;

- реакторы на тяжёлой воде.

•  Реакторы на быстрых нейтронах.

•  Субкритические реакторы, использующие внешние источники нейтронов.

•  Термоядерные реакторы.

По виду отпускаемой энергии

Атомные станции по виду отпускаемой энергии можно разделить на:

•  Атомные электростанции (АЭС), предназначенные для выработки электрической энергии. При этом на многих АЭС есть теплофикационные установки, предназначенные для подогрева сетевой воды, используя тепловые потери станции.

•  Атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ), вырабатывающие как электроэнергию, так и тепловую энергию.

 

Принцип действия АЭС

На рисунке показана схема работы атомной электростанции с двухконтурным водо-водяным энергетическим реактором. Энергия, выделяемая в активной зоне реактора, передаётся теплоносителю первого контура. Далее теплоноситель поступает в теплообменник (парогенератор), где нагревает до кипения воду второго контура. Полученный при этом пар поступает в турбины, вращающие электрогенераторы. На выходе из турбин пар поступает в конденсатор, где охлаждается большим количеством воды, поступающим из водохранилища.

 

 

Схема работы атомной электростанции на двухконтурном водо-водяном энергетическом реакторе (ВВЭР)

 

Помимо воды, в различных реакторах в качестве теплоносителя могут применяться также расплавы металлов: натрий, свинец, сплав свинца с висмутом и др. Использование жидкометаллических теплоносителей позволяет упростить конструкцию оболочки активной зоны реактора (в отличие от водяного контура, давление в жидкометаллическом контуре не превышает атмосферное), избавиться от компенсатора давления.

 

 

 

Общее количество контуров может меняться для различных реакторов, схема на рисунке приведена для реакторов типа ВВЭР (Водо-Водяной Энергетический Реактор). Реакторы типа РБМК (Реактор Большой Мощности Канального типа) использует один водяной контур, реакторы БН (реактор на Быстрых Нейтронах) – два натриевых и один водяной контуры, перспективные проекты реакторных установок СВБР-100 и БРЕСТ предполагают двухконтурную схему, с тяжелым теплоносителем в первом контуре и водой во втором.

В случае невозможности использования большого количества воды для конденсации пара, вместо использования водохранилища вода может охлаждаться в специальных охладительных башнях (градирнях), которые благодаря своим размерам обычно являются самой заметной частью атомной электростанции.

 

Атомная станция теплоснабжения

Россия – единственная страна, где серьёзно рассматриваются варианты строительства атомных станций теплоснабжения. Объясняется это тем, что в России существует централизованная система водяного отопления зданий, при наличии которой целесообразно применять атомные станции для получения не только электрической, но и тепловой энергии.

 


Макет арктической блочной установки «АРБУС»

 

В настоящий момент концерн «Росэнергоатом» планирует построить плавучую АСТ для Архангельска, Певека и других заполярных городов на базе реакторной установки КЛТ-40, используемой на атомных ледоколах. Есть вариант малой необслуживаемой АСТ на базе реактора «Елена», и передвижной (железнодорожным транспортом) реакторной установки «Ангстрем».

 


Модель передвижной атомной электростанции

 

Первые проекты таких станций были разработаны ещё в 70-е годы XX века, однако из-за наступивших в конце 80-х гг. экономических потрясений и жёсткого противодействия общественности, до конца ни один из них реализован не был. Исключение составляют Билибинская АЭС небольшой мощности, снабжающая теплом и электричеством посёлок Билибино в Заполярье и местные горнодобывающие предприятия, а также оборонные реакторы (главной задачей которых является производство плутония).

 

Достоинства и недостатки ядерной энергетики

Ядерная энергетика остаётся предметом острых дебатов. Сторонники и противники ядерной энергетики резко расходятся в оценках её безопасности, надёжности и экономической эффективности.

Опасность связана с проблемами утилизации отходов, авариями, приводящими к экологическим и техногенным катастрофам, а также с возможностью использовать как оружие массового поражения повреждение этих объектов обычным оружием или в результате теракта.

«Двойное применение» предприятий ядерной энергетики, возможная утечка (как санкционированная, так и преступная) ядерного топлива из сферы производства электроэнергии и его использовании для производства ядерного оружия служит постоянным источником общественной озабоченности, политических интриг и поводов к военным акциям (например, Операция «Опера», Иракская война).

 

Урановые стержни для реактора

 

Главное преимущество – практическая независимость от источников топлива из-за небольшого объёма используемого топлива. Расходы на перевозку ядерного топлива в отличие от традиционного угля или мазута, ничтожны.

Огромным преимуществом АЭС является её относительная экологическая чистота. На ТЭС суммарные годовые выбросы вредных веществ на 1000 МВт установленной мощности составляют от 13 000 тонн в год на газовых до 165 000 тонн на пылеугольных. Подобные выбросы на АЭС полностью отсутствуют. ТЭС мощностью 1000 МВт потребляет 8 миллионов тонн кислорода в год для окисления топлива, АЭС же не потребляют кислорода вообще. Кроме того, больший удельный (на единицу произведенной электроэнергии) выброс радиоактивных веществ даёт угольная станция. В угле всегда содержатся природные радиоактивные вещества, при сжигании угля они практически полностью попадают во внешнюю среду. При этом удельная активность выбросов ТЭС в несколько раз выше, чем для АЭС.

Единственный фактор, в котором АЭС уступают в экологическом плане традиционным ТЭС – тепловое загрязнение, вызванное большими расходами технической воды для охлаждения конденсаторов турбин, которое у АЭС несколько выше из-за более низкого КПД. Однако этот фактор важен для водных экосистем, а современные АЭС в основном имеют собственные искусственно созданные водохранилища-охладители или вовсе охлаждаются градирнями.

Также некоторые АЭС отводят часть тепла на нужды отопления и горячего водоснабжения городов, что снижает непродуктивные тепловые потери. Существуют действующие и перспективные проекты по использованию «лишнего» тепла в энергобиологических комплексах (рыбоводство, выращивание устриц, обогрев теплиц и пр.).

Для большинства стран, в том числе и России, производство электроэнергии на АЭС не дороже, чем на пылеугольных и тем более газомазутных ТЭС. Особенно заметно преимущество АЭС в стоимости производимой электроэнергии во время так называемых энергетических кризисов, начавшихся с начала 70-х годов. Падение цен на нефть автоматически снижает конкурентоспособность АЭС.

Затраты на строительство АЭС находятся примерно на таком же уровне, как и строительство ТЭС, или несколько выше.

Главный недостаток АЭС – тяжелые последствия аварий, для исключения которых АЭС оборудуются сложнейшими системами безопасности с многократными запасами и резервированием, обеспечивающими исключение расплавления активной зоны даже в случае максимальной проектной аварии.

Серьёзной проблемой для АЭС является их ликвидация после выработки ресурса, по оценкам она может составить до 20% от стоимости их строительства.

 

Перспективы ядерной энергетики

Академик Анатолий Александров, научный руководитель проекта по разработке реактора Чернобыльского типа, считал, что «ядерная энергетика крупных масштабов явится величайшим благом для человечества и разрешит целый ряд острых проблем».

Альтернативные способы получения энергии, за счёт энергии приливов, ветра, Солнца, геотермальных источников и др. на данный момент уступают по производительности традиционной энергетике.

Атомная энергия была бы самой перспективной, если бы были известны рентабельные способы переработки радиоактивных отходов, а также если бы существовала абсолютно безотказная техника. Практикуемые сегодня способы захоронения отходов (например, в подземных хранилищах) не могут гарантировать того, что отходы в обозримом будущем не отравят окружающую среду, и при этом даже такие хранилища настолько дороги, что в качестве альтернативы рассматривается захоронение радиоактивных отходов на околоземной орбите. Неизбежные отказы техники вследствие человеческих ошибок, как в Чернобыле, или вследствие природных катастроф, как в Фукусима, приводят к человеческим жертвам и гигантским финансовым издержками.

В настоящее время разрабатываются международные проекты ядерных реакторов нового поколения, которые обещают повысить безопасность и увеличить КПД АЭС.

Россия приступила к строительству первой в мире плавающей АЭС, позволяющей решить проблему нехватки энергии в отдалённых прибрежных районах страны.


США и Япония ведут разработки мини-АЭС, с мощностью порядка 10-20 МВт для целей тепло- и электроснабжения отдельных производств, жилых комплексов, а в перспективе и индивидуальных домов. С уменьшением мощности установки растёт предполагаемый масштаб производства. Малогабаритные реакторы создаются с использованием безопасных технологий, многократно уменьшающих возможность утечки ядерного вещества.

 

Россия и США совместно разрабатывают проект АЭС будущего. Она значительно превзойдёт все прежние системы и по безопасности, и по экономичности, и по многим другим параметрам. Атомная энергетика ещё не сказала своего последнего слова.

 

Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.) существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). Это открывает широкие перспективы для удовлетворения быстро растущих потребностей в топливе. Кроме того, необходимо учитывать всё увеличивающийся объём потребления угля и нефти для технологических целей мировой химической промышленности, которая становится серьёзным конкурентом тепловых электростанций. Несмотря на открытие новых месторождений органического топлива и совершенствование способов его добычи, в мире наблюдается тенденция к относительному увеличению его стоимости. Это создаёт наиболее тяжёлые условия для стран, имеющих ограниченные запасы топлива органического происхождения. Очевидна необходимость быстрейшего развития атомной энергетики, которая уже занимает заметное место в энергетическом балансе ряда промышленных стран мира.

 

Прогнозы развития

Еще не так давно слова “атомная энергетика” и “научно-технический прогресс” сливались в неразрывное целое. И тому было немало причин. Молодая отрасль стимулировала развитие целого ряда новых направлений в физике, химии, биологии. Больше того, открывалась очень радужная перспектива решения энергетических проблем, в первую очередь замены традиционных видов топлива принципиально иным – компактным, “бездымным” и, что особенно важно, практически неисчерпаемым. Именно поэтому атомная энергетика сразу получила приоритетное развитие во многих промышленно развитых странах.

Однако со временем ситуация стала меняться. Наступило время, когда энергетики, ученые и политики признали наличие серьезных проблем в атомной отрасли и выделили самые важные из них:

 

•  – существующие АЭС потенциально опасны: ни один из современных энергоблоков не гарантирован от тяжелых аварий;

•  – использование энергии атома привело к радиационному и экологическому загрязнению огромных территорий, воды, воздуха и материалов, используемых в атомной энергетике;

•  – взрывы ядерных устройств, аварии и обычная работа АЭС повысили радиационный фон планеты и оказывают негативное влияние на здоровье людей;

•  – как показывает опыт, аварийно-спасательные службы после масштабной аварии и сегодня оказываются не готовыми к эффективной работе по защите персонала АЭС и населения прилегающих территорий, особенно в начальном периоде.

 

Сегодня около 15% энергии, вырабатываемой на нашей планете, приходится на атомные электростанции. Больше всего электроэнергии на АЭС вырабатывают США, Франция, Япония, ФРГ, Россия, Канада. Но средний показатель дает лишь общее представление о сложившейся в мире ситуации. Есть государства, в которых производство энергии на АЭС выражается очень значительными цифрами: например, во Франции оно достигает примерно 70% общей выработки. И никаких изменений в сторону уменьшения там не предвидится. Наоборот, население очень трезво оценивает вопросы, связанные с развитием атомной энергетики, справедливо рассматривая свои АЭС как стимулятор хозяйственной жизни.

Но вместе с тем существуют государства, принявшие решение о полном прекращении строительства новых АЭС: Швеция, Италия. Кто прав? Однозначного ответа здесь вообще нет. Показательна в этом отношении позиция США. Прекратив строительство новых АЭС, там широко развернули научно-исследовательские и конструкторские работы в области атомной энергетики. Таким образом, создается хороший задел, чтобы в нужный момент активно приступить к развитию атомной энергетики на качественно ином уровне.

 

Несмотря на рост использования солнечных батарей, энергии ветра и волн, прочих альтернатив, от «классической» энергетики нам в ближайшие десятилетия не уйти. А здесь, пожалуй, наиболее экологичной является, как ни странно, энергетика атомная.

 

Ровненская АЭС (Украина)

 

Да, утилизация отработанного ядерного топлива – сложная проблема, но совсем не безнадёжная.

А вот тепловые станции отравляют атмосферу миллионами тонн ядов и парниковых газов. И радиоактивными веществами тоже, кстати, которые содержатся, скажем, в угле и попадают с выхлопом станции в трубу.

Гидроэлектростанции, кажется, чистые. Но их везде не поставишь, а водохранилища, кстати, необратимо меняют природу на многие десятки километров вокруг, затрагивают среду обитания тысяч видов, оказывают огромное давление на земную кору.

Ядерный синтез? Да, есть интересные варианты, но это – на перспективу. А в ближайшие годы круг, вроде, замыкается – будем «жечь» уран. Например, в супер-АЭС, разработанной совместно Россией и США.

 

Энергетическая проблема выросла в XXI веке в глобальную проблему всего человечества. Как она будет решаться, каким источникам энергии будет принадлежать главная роль в экономике, – от этого во многом будет зависеть развитие цивилизации на Земле. Ведь главная проблема современной энергетики – не истощение минеральных ресурсов, а угрожающая экологическая обстановка: еще задолго до того, как будут использованы все мыслимые ресурсы, может разразиться экологическая катастрофа, которая превратит Землю в планету, совершенно не приспособленную для жизни человека.